Evaporação simples efeito

EvaporaçãoEvaporação

Evaporação

Processo físico que consiste em separar (evaporar) uma parte do líquido contido em uma solução ou suspensão.

Calor adicionado a solução evaporação do solvente(Condensação de vapor d’água)

Ex:

Concentração de soluções aquosas (açúcar, leite, sucos,...)

Evaporador

Trocador de calor projetado especialmente para fornecer ao fluido o seu calor latente de vaporização.

Partes essenciais:

- câmara de aquecimento

- câmara de evaporação

Evaporador

Alimentação

Vapor de água saturado

Condensado

Produto concentrado

Vapor direcionado ao condensador

T1

P1

Água líquida Vapor d’água

(calor latente)

(calor latente)

Alguns fatores importantes...

Concentração da solução de alimentação:

Solução diluída baixa viscosidade altos coef. de transferência

Solução concentrada maior viscosidade baixos coef. de transferência

Inicialmente...

A medida em que a solução se evapora...

Circulação do líquido deve ser otimizada

Alguns fatores importantes...

Solubilidade:

A solução é aquecida e a concentração do soluto aumenta com o tempo.

A solubilidade limite do soluto na solução pode ser excedida e cristais podem ser formados

Inicialmente...

A medida em que a solução se evapora...

A solubilidade limita a máxima concentração da solução

Alguns fatores importantes...

Materiais sensíveis à temperatura:

Alguns materiais podem ser sensíveis e se degradar à altas temperaturas ou após prolongado aquecimento.

Uso de vácuo para reduzir a temperatura de ebulição

Baixo tempo de residência no evaporador

Alguns fatores importantes...

Pressão e temperatura:

O ponto de ebulição da solução esta relacionado com a pressão do sistema.

Com aumento da concentração do soluto na solução a temperatura de ebulição pode aumentar. Este fenômeno é chamado “elevação do ponto de ebulição” (EPE).

P Teb

x Teb

Alguns fatores importantes...

Formação de espuma:

Em alguns casos, materiais como por exemplo, soluções de ácidos graxos, soda cáustica, etc. podem formar espuma durante a ebulição.

Usa-se dispositivos para evitar que a espuma seja arrastada juntamente com o vapor

Tipos de Evaporadores

Principais características que diferem os diversos tipos de evaporadores utilizados na indústria química:

• Configuração da superfície de troca de calor

• Modos de circulação do líquido

conseguir um funcionamento eficaz e um valor máximo para o coeficiente de transmissão do calor

Evaporador de Tubos Horizontais

Vantagens:

baixo custo;

fácil instalação.

Indicação:

líquidos pouco viscosos, sem formação de espuma nem incrustações.

Líquidos com altos coeficientes de troca térmica.

Vapor circula no interior dos tubos;

Circulação natural;

Baixa eficiência;

Incrustações no exterior dos tubos.

Evaporador de Tubos VerticaisCirculação natural/Tubos curtos

Vantagens:

Boa relação custo/eficiência.

Indicação:

líquidos pouco à semi-viscosos.

Câmara de vapor anular;

Vapor circula pelo exterior dos tubos;

Vapor produzido no interior dos tubos gera a circulação do líquido;

Incrustações no interior dos tubos Remoção mecânica

Evaporador de Tubos Verticais

Vantagens:

Altos coeficientes de troca;

Indicação:

líquidos viscosos.

Circulação forçada do líquido;

Vapor circula pelo exterior dos tubos;

Consumo elevado de energia.

Circulação forçada/Tubos longos

Evaporador Tipo Cesta

Câmara de vapor cesta suspensa

Vapor circula pelo exterior dos tubos;

Vapor produzido no interior dos tubos gera a circulação do líquido;

Vantagens:

Boa relação custo/eficiência.

Indicação:

líquidos pouco viscosos.

Evaporador c/ aquecedor externo

Vantagens:

Facilidade de limpeza e substituição dos tubos incrustados;

Altos coeficientes de troca.

Indicação:

líquidos viscosos.

Circulação forçada do líquido;

Trocador de calor externo;

Vapor circula pelo exterior dos tubos;

Consumo elevado de energia.

Circulação forçada

Métodos de Operação: Simples Efeito

Alimentação(TF, hF, xF)

Vapor de água saturado (TS, HS)

Condensado: (TS, hs)Produto concentrado

(T1, hL, xL)

Vapor direcionado ao condensador

(T1, HV)

T1

P1

T do vapor = T produto concentrado = T ebulição da solução = T1

P1 = pressão de vapor da solução à T1

Balanços de Massa e Energia

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

1 etapa: Balanço de massa

F = L + V

Global,

Soluto,

FxF = LxL

Balanços de Massa e Energia

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

2 etapa: Balanço de energia

Global,

FhF + S = LhL + VHV

FhF + SHS = LhL + VHV + ShS

q = S(HS-hS) = S

Calor transferido para a solução

= calor latente

Balanços de Massa e Energia

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

3 etapa: Equação da taxa de transferência de calor

q = UAT

T = (TS – T1)

U = coeficiente global de transferência de calor

A = área de troca

Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

Teb

Teb solução aquosa ≠ Teb água Efeito do soluto

Concentração da solução Temperatura de ebulição

Difícil predição

Uso das tabelas de vapor de águaPropriedades do vapor/líquido saturado

Uso das tabelas de vapor de águaPropriedades do vapor superaquecido

Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador

F (TF, hF, xF)

S (TS, HS)

S (TS, hs)

L (T1, hL, xL)

V (T1, HV)

T1

P1

Teb

Teb solução aquosa - Teb água = EPE

EPE – elevação do ponto de ebulição

Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador

Diagrama de Dühring

Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador

Exemplo 1:

A pressão na câmara de evaporação de um evaporador é de 25,6 kPa e uma solução de 30 % de NaOH está sendo evaporada. Determine a temperatura de ebulição desta solução e a elevação do ponto de ebulição (EPE) na pressão da câmara.

Dado:

Temperatura de ebulição da água à 25,6 kPa = 65,6 ºC

(tabelas de vapor saturado)

Determinação da Temp. de Ebulição no Evaporador

Resolução:

~ 79,5 ºC

EPE ~ 13,9 ºC

Determinação da Entalpia das soluções

Diagrama entalpia-concentração

Determinação da Entalpia das soluçõesExemplo 2:

Um evaporador é utilizado para concentrar uma solução aquosa de NaOH a 20 % e temperatura de 65,6 ºC fornecendo uma solução contendo 50 % de NaOH a 93,3 ºC. Calcule as entalpias das soluções.

hF = 220 kJ/kg solução

Solução a 20 %:

XF = 0,2 T = 65,6 ºC

Solução a 50 %:

XF = 0,5 T = 93,3 ºC

hF = 515 kJ/kg solução

Obtenção de dados para cálculo

Temperaturas:

TS (tabelas de vapor saturado sendo dado PS)

T1 (tabelas de liquido saturado sendo dado P1 e diagrama de Dühring)

TF (geralmente fornecido)

Resumo:

Entalpias:

= (HS – hS) - (tabelas de vapor/líquido saturado)

HV (tabelas de vapor superaquecido)

hF (diagrama entalpia-concentração)

hL (diagrama entalpia-concentração)

Exemplo de cálculo

Exemplo 3:

Um evaporador é usado para concentrar 4536 kg/h de uma solução aquosa contendo 20% de NaOH entrando a 60 ºC (140 ºF) produzindo um produto com 50% de sólido. A pressão da corrente de vapor usado para aquecimento é de 172.4 kPa (25 psia) e a pressão de no interior do evaporador é 11.7 kPa (1.7 psia). O coeficiente de transferência de calor global médio é 1560 W/m2.K. Calcule:

a) O calor trocado para realizar a evaporação;b) A economia de vapor em kg de vapor produzido/ kg vapor usado;c) A área da superfície de aquecimento em m2

Exemplo de cálculoUm evaporador é usado para concentrar 4536 kg/h de uma solução aquosa contendo 20% de NaOH entrando a 60 ºC (140 ºF) produzindo um produto com 50% de sólido. A pressão da corrente de vapor usado para aquecimento é de 172.4 kPa (25 psia) e a pressão no interior do evaporador é 11.7 kPa (1.7 psia). O coeficiente de transferência de calor global médio é 1560 W/m2.K. Calcule:

Dados:

F = 4536 kg/h

xF = 0,2

TF = 60 ºC

hF = ?

S = ?

PS = 172,4 kPa

TS = ?

HS = ?

hS = ?

L = ?

xL = 0,5

T1 = ?

hL = ?

P1 = 11,7 kPa

V = ?

HV = ?

U = 1560 W/m2.K

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = ?(T1 = ?, hL = ?, xL = 0,5)

V = ?

(T1 = ?, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Balanço de massa para o soluto:

FxF = LxL 4536 . 0,2 = L . 0,5L

L = 1814 kg/h

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = ?, hL = ?, xL = 0,5)

V = ?

(T1 = ?, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Balanço de massa global:

F = L + V 4536 = 1814 + V

V = 2722 kg/h

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = ?, hL = ?, xL = 0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = ?, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Exemplo de cálculo

Calculo de T1: Supomos que estamos evaporando água pura

das tabelas de vapor saturado temos que a água pura a 11,7 kPa possui uma temperatura de ebulição de 48,9 ºC

Exemplo de cálculo

Calculo de T1: Diagrama de Dühring

para uma temperatura de ebulição da água de 48,9 ºC encontramos T1 = 89,5 para uma solução com 50 % NaOH

EPE ~ 40,6 ºC

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = ?, xF = 0,2)

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = ?, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

Exemplo de cálculo

Calculo de hF e hL: diagrama entalpia x concentração

Solução a 20 %:

XF = 0,2 T = 60 ºC

hF = 214 kJ/kg solução

Solução a 50 %:

XL = 0,5 T = 89,5 ºC

hL = 505 kJ/kg solução

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = ?)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

Exemplo de cálculo

Calculo de HV: Tabelas de vapor superaquecido

das tabelas de vapor superaquecido temos que vapor d’água a 11,7 kPa e 89,5 ºC possui uma entalpia de 2667 kJ/kg

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = ?, HS = ?) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = ?, hS = ?)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = 2667 kJ/kg)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

Exemplo de cálculo

Calculo de TS: Tabelas de vapor saturado

das tabelas de vapor saturado temos que vapor d’água a 172,4 kPa possui uma temperatura de saturação de 115,6 ºC

= (HS – hS) = 2214 kJ/kg

S = ? (PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC) S = ?

(PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = 2667 kJ/kg)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

= 2214 kJ/kg

Exemplo de cálculoDeterminação de S: vazão de vapor necessária para realizar a evaporação nas condições especificadas

Balanço global de energia:

FhF + S = LhL + VHV

4535 . 214 + S . 2214 = 1814 . 505 + 2722 . 2667

S = 3255 kg/h

S = 3255 kg/h (PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC) S = 3255 kg/h

(PS = 172,4 kPa, TS = 115,6 ºC)

L = 1814 kg/h(T1 = 89,5 ºC, hL = 505 kJ/kg, xL =

0,5)

V = 2722 kg/h

(T1 = 89,5 ºC, HV = 2667 kJ/kg)

T1

Exemplo de cálculo

P1 = 11,7 kPa

F = 4536 kg/h(TF = 60 ºC, hF = 214 kJ/kg, xF =

0,2)

= 2214 kJ/kg

Exemplo de cálculoa) O calor trocado para realizar a evaporação:

b) A economia de vapor em kg de vapor produzido/ kg vapor usado:

q = S q = 3255 . 2214

q = 3255 . 2214 = 7206570 kJ

ou

q = 2002 kW

Economia de vapor = 2722/3255

Economia de vapor = 0,836

Exemplo de cálculoc) A área da superfície de aquecimento em m2:

q = UA(TS – T1) 2002 . 1000 = 1560 . A (115,6 – 89,5)

A = 49,2 m2